【摘 要】
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在骨组织生长、发育和成熟的过程中,骨组织细胞所处的细胞外基质微环境的力学性能具有动态变化的特征。例如,当骨组织生长和重建时,伴随着基质不断矿化,骨组织的刚度将逐渐增加,最终达到正常骨的刚度。本论文模拟天然骨组织生长、发育、成熟过程中的细胞外基质刚度动态变化过程,设计并制备系列可光调控动态刚度的水凝胶,重点考察水凝胶刚度及刚度变化对干细胞的铺展、增殖、成骨分化等行为的影响规律,进而考察其对动物体内原
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:介导YAP/TAZ调控干细胞成骨分化的光响应水凝胶支架材料的构筑及其作用机制研究
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在骨组织生长、发育和成熟的过程中,骨组织细胞所处的细胞外基质微环境的力学性能具有动态变化的特征。例如,当骨组织生长和重建时,伴随着基质不断矿化,骨组织的刚度将逐渐增加,最终达到正常骨的刚度。本论文模拟天然骨组织生长、发育、成熟过程中的细胞外基质刚度动态变化过程,设计并制备系列可光调控动态刚度的水凝胶,重点考察水凝胶刚度及刚度变化对干细胞的铺展、增殖、成骨分化等行为的影响规律,进而考察其对动物体内原位颅骨缺损的修复作用。本论文主要内容和研究结果如下:第一章概述动态刚度水凝胶的制备方法及其表征手段。此外,还介绍细胞力学感知结构、成骨分化信号转导过程,以及基质刚度对干细胞生物学行为的影响。第二章结合冻融循环法和硫醇-烯光点击化学反应法,制备聚乙烯醇/降冰片烯二酸酐功能化聚乙烯醇（PVA/PVA-NB）双交联水凝胶。考察冻融循环次数、紫外光交联时间对凝胶力学性能的影响。研究结果表明:（1）PVA/PVA-NB水凝胶的杨氏模量与冻融循环次数紧密相关,通过调节冻融循环次数,凝胶的杨氏模量可在较宽（2.1±0.6 kPa至135.9±5.9 kPa）范围内进行调节;（2）采用紫外光交联策略,可以实时动态调控PVA/PVA-NB水凝胶的杨氏模量;（3）优化条件,得到紫外光照前后具有较宽的杨氏模量调控范围的凝胶。例如,经过3次冻融循环制备的PVA/PVA-NB水凝胶在紫外光照前的杨氏模量为16.2±6.6 kPa（Soft组）;经紫外光照60秒后,水凝胶的杨氏模量达到69.4±10.6 kPa（Stiff 组）;第三章利用硫醇-烯光点击化学反应,构筑精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽序列（RGD）修饰的 PVA/PVA-NB 水凝胶（即 PVA/PVA-NB+RGD）。探索RGD浓度、凝胶杨氏模量对大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）的黏附、生长、增殖和成骨分化行为的影响。优化条件,选取合适的RGD浓度,以及3次冻融循环的水凝胶,考察了凝胶杨氏模量（Soft组和Stiff组）及其动态增加过程（动态“趋硬”组,Dynamic stiffening组）对rBMSCs成骨分化行为的影响,并探索了凝胶杨氏模量动态变化过程对转录共激活因子Yes相关蛋白（YAP）核转录水平的影响规律。进而,将凝胶植入大鼠临界颅骨缺损部位,考察了其修复效果。研究结果表明:（1）RGD浓度为5 mM时,rBMSCs在凝胶上即呈现较好的铺展状态,而且细胞骨架结构中具有大量的肌动蛋白丝;（2）与静态组（Soft组和Stiff组）相比,Dynamic stiffening组水凝胶对rBMSCs的黏附、增殖和成骨分化均有促进作用;（3）相比于其他组别,Dynamic stiffening组的体内颅骨缺损修复实验也证实Dynamic stiffening组具有促进骨缺损修复的效果。
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